相對論強雷射驅動加速高品質單能高Z重離子束研究

《相對論強雷射驅動加速高品質單能高Z重離子束研究》是依託北京大學，由喬賓擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：相對論強雷射驅動加速高品質單能高Z重離子束研究
• 依託單位：北京大學
• 項目負責人：喬賓
• 項目類別：面上項目

項目摘要

雷射粒子加速器是國際上的前沿研究熱點，其產生的加速電場可以比常規加速器至少高出三個量級，加速器的尺寸相應降低千倍以上，可以更加經濟地實現帶電粒子的加速，必將帶來一場新的加速器技術革命。目前雷射粒子加速器的研究都集中於電子、質子或輕離子，而高能高Z重離子束由於其質量大、所帶電荷多，射程確定、能量沉積密度大等特性在核物理，高能量密度物理、和醫學方面都有著更加廣泛和重要的套用。本項目擬理論和數值研究相對論強雷射與高Z材料靶相互作用物理，自洽分析碰撞、離化、輻射反應以及QED等複雜的混合物理效應；在此基礎上探索相對論強雷射加速產生高品質單能高Z重離子束的新物理機制和雷射與靶的設計新方案，並給出高Z重離子雷射加速的基本特點，如峰值能量對雷射強度、靶材料Z及厚度等的標度率，最佳雷射和靶參數條件等。項目還將開展高能重離子束與物質相互作用的初步研究，為未來我國建設新一代雷射重離子加速器提供理論基礎。

結題摘要

雷射驅動離子加速在過去近二十年間引起了廣泛的研究興趣，這是因其加速梯度相較於傳統射頻加速器高出三個量級以上，且其產生的離子束具有橫向發射度小、脈衝周期短等在套用方面的潛在優勢。目前雷射粒子加速的研究都集中於電子、質子或輕離子，而高Z重離子束由於質量大、所帶電荷多，射程確定、能量沉積密度大等特性在核物理，高能量密度物理和生命醫學方面都有著更加重要的套用。項目中，我們通過理論與數值模擬結合對相對論強雷射驅動加速重離子的動力學過程進行了深入系統的研究，釐清了碰撞、離化、輻射阻尼以及量子電動力學等複雜物理效應對加速過程的影響，並發展了相應的可計算物理建模和程式模組。在光壓加速方面，通過不穩定性細緻研究，我們提出了獲得高品質高Z重離子束的“離化動態致穩”新型光壓加速方案，並給出了最佳化的最佳參數條件和加速定標率，包括雷射和靶結構設計與參數等，其主要物理思想是利用加速薄靶前高Z塗層材料的動態離化效應補充電子來穩定重離子的輻射壓加速。三維模擬表明，在10^22W/cm^2的雷射驅動下，可獲得峰值能量為3.8GeV、粒子數為10^10的準單能Al離子束。在無碰撞激波加速方面，針對重離子特點，我們提出了利用橫向被約束的近臨界密度電漿實現雷射驅動穩定無碰撞激波離子加速的物理方案，從而利用千焦皮秒雷射獲得能量分布在50~80MeV，粒子數達到10^12的高通量離子源。在此基礎上，我們進一步提出了激波加速與磁渦旋誘導加速相結合的全光學級聯離子加速方案，不僅能大幅提高離子的最大能量，還能調製離子能譜獲得準單能離子束。此外，我們還總結和梳理了強雷射離子加速目前主要加速機制及其存在的問題，提出從熱壓至光壓到未來靜電壓加速的新思想。針對未來極端強場雷射，我們提出了利用數周期雷射輻照多組分納米薄靶實現類電容器電場離子加速的新機制。上述研究成果，為未來建設新一代雷射重離子加速器及其在國防、核物理和聚變能源方面的套用提供了理論支撐。